模糊控制及冶金工业炉燃料燃烧比值控制系统.docx

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模糊控制及冶金工业炉燃料燃烧比值控制系统

太原理工大学现代科技学院

课程设计任务书

专业班级

自动化

学生姓名

xxx

课程名称

过程控制系统课程设计

设计名称

模糊控制及冶金工业炉燃料燃烧比值控制系统

设计周数

周1

指导教师

xxx

设计任务主要设计参数

课程设计的意义过程控制课程设计是《过程控制系统》课程教学的一个重要组成部分，也是该课程的最后一个环节，是对学生进行全面的系统的训练。

可以使学过的零碎知识系统化，能够真正地把学过的知识落到实处，进一步激发了学生再深一步学习的热情，培养学生理论与实践相结合能力、工程设计能力、创新能力，进行一定的工程师基本技能训练。

因此课程设计是必不可少的，也是非常必要的。

本课程设计是自动化专业学生的必修课，时间为1周。

课程设计的性质、目的和任务过程控制系统课程设计是自动化专业必修实践性教学环节。

过程控制系统课程是一门实践性很强的专业课，在完成了课堂教学和基础实验等内容后进行本课程设计，是过程控制系统课程的一个重要教学环节，是对过程控制系统课程的综合训练。

本课程设计旨在使学生在了解生产过程的静态和动态特性基础上，根据流程工艺要求，综合应用自动控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统，通过课程设计，要求学生不仅能达到了解过程控制系统，而且具有初步解决、分析和设计过程控制系统的能力，为今后从事实际的工业过程控制系统设计和维护打下一定的基础。

课程设计的要求和原始数据

过程控制系统课程设计主要包括某一个过程的控制系统设计和文献综述两个部分。

I

设计内容设计要求

．针对某一个过程控制系统，设计合理的控制方案。

设计的主要内容包括：

1查阅资料，对被控对象动态特性进行分析，了解生产工艺，确定控）1（制系统的被调量和调节量；报警设包括确定自动控制范围、控制质量指标、）确定自动化水平，（2限及手自动切换水平；完成控制系根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，3）（统原理图；

提出仪表选型原则，包括测量、变送、调节及执行仪表的选型；（4）简要设计控制系统工根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，5）（艺流程图，编制图例位号；对所设计的控制方案进行仿真实验，并进行调节器参数整定；6）（提出控制系统的基被控对象的生产工艺描述，编写设计系统说明：

）（7本任务和要求；选择控制系统控制结构，画控制原理图；进行仪表根据控制原理选择测点和调节机构画控制系统工艺流程图；选型；图，进行控制系统仿真实验，控制器参数工程整定；设计小结。

控制系统可以选择如下系统之一或自选其他工业过程控制系统：

（8）两个或两个以上级联水箱液位控制系统；a）锅炉汽包液位三冲量控制系统；b）锅炉给水控制系统；c）锅炉过热蒸汽温度控制系统；d）

锅炉炉膛压力控制系统；e）

高炉的温度控制系统；f）

冶金工业炉燃料燃烧比值控制系统；g）

冶金工业沸腾焙烧炉串级控制系统；h）制药工业生产过程流体输送工艺控制；i）制药配液罐温度控制；j）

生物制氢控制系统；k）

加压精馏塔压力控制系统；l）减压精馏塔压力控制系统；m）

精馏塔物料流量控制系统；n）

II

污水处理自动化系统。

o）2．了解过程控制系统中的先进方案、技术等方面的发展情况。

查阅资料，了解关于工业过程生产（包括化工、冶金、制造、制药、石油等行业）中新技术、新设备、新方法等发展情况。

其中关键词可以选择如下之字以上）（字数一或其他方面：

3000自适应控制、预测控制、变结构控制、协调控制、网络控制、神经网络控技术、组态OPC制、模糊控制、前馈控制、调节阀、自动控制技术发展史、、智能制造、变频控制、工业机器人、柔性控制、生物传感器、4.0软件、工业、激光检测技术、工业大数据、联锁保护等。

光电传感器、CCD

主要参考资料

.

课程的教材及课件[1]

．翁唯勤编．过程控制工程设计．化工出版社,2001[2]孙洪程,,邱宣振编．化工自控工程设计．华东化工学院出社．俞金寿,向衍庆[3],1995．[4]秦起佑编．工业自动化仪表手册．机械工业出版社,1999.

电子工业出版社.自动化控制工程设计.李駪[5],姜秀英

学生提交归档文件

课程设计的报告要求设计任务和要求、报告应包括封皮、课程设计报告要求完成以上两个内容。

设计说明、设计总结、设计的收获、体会等。

纸双面打印（除封皮以为）。

课程设计报告使用A4

课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：

封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装1.注：

订上交（大张图纸不必装订）可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

2.

III

第一章模糊控制器的应用及展望...............................................................................................5

摘要...............................................................................................................................................5

引言..........................................................................................................................................6

正文..........................................................................................................................................1

1.1模糊控制具有的突出特点：

............................................................................................1

2.2模糊控制方法的研究现状................................................................................................1

2.3模糊控制的进展................................................................................................................2

2.4模糊控制在实际中的应用................................................................................................2

第二章冶金工业炉燃烧比值控制系统的设计.............................................................................7

摘要.................................................................................................................................................8

1冶金工业炉的工艺设备.............................................................................................................9

设计要点..................................................................................................................................9

燃气式..................................................................................................................................................9

2比值控制系统概述..................................................................................................................10

2.1比值控制系统定义.........................................................................................................10

2.2比值控制原理.................................................................................................................10

2.3比值控制系统特点.........................................................................................................10

2.4比值控制系统的类型.....................................................................................................10

2.4.1开环比值控制系统.................................................................................................................11

2.4.2单闭环比值控制系统.............................................................................................................11

2.4.3双闭环比值控制系统.............................................................................................................11

2.4.4串级比值控制系统.................................................................................................................11

3冶金工业炉炉燃烧比值控制系统的设计...............................................................................12

3.1工业炉燃烧比值控制系统原理图.................................................................................12

3.2工业炉燃烧比值控制系统方框图..................................................................................13

4控制器的选择...........................................................................................................................14

4.1执行机构的选择.............................................................................................................14

4.2微型计算机的选择.........................................................................................................14

5元件选择...................................................................................................................................16

5.1温度传感器及变送器.....................................................................................................16

5.2流量测量仪表.................................................................................................................16

6工业炉燃烧控制方案...............................................................................................................17

6.1工业炉燃烧过程.............................................................................................................17

6.2工业炉最优燃烧条件.....................................................................................................17

6.3烟气含氧量串级比值控制.............................................................................................18

7系统的调节及抗干扰过程.......................................................................................................19

7.1调节过程及调节器技术参数整定.................................................................................19

7.2抗干扰过程.....................................................................................................................20

8小结心得...................................................................................................................................21

参考文献.......................................................................................................................................22

IV

第一章模糊控制器的应用及展望

摘要

本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计。

控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。

通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。

锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。

燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。

过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。

关键字过热蒸汽控制,串级控制系统,自动控制,主控-串级切换：

5

引言

模糊控制综合了专家的操作经验，具有不依赖被控对象的精确数学模型、设计简单、便于应用、抗干扰能力强、响应速度快、易于控制和掌握、对系统参数的变化有较强的鲁棒性等特点，在经典控制理论和现代控制理论难以应用的场合发挥了很大的作用。

近年来，模糊集理论及应用研究不断深入，取得了一系列成功的应用和理论成果，在自动控制、信号处理、模式识别、通信等领域得到了广泛的应用。

目前，模糊控制已成为智能控制的一个主要分支。

为了更深入地开展模糊控制技术的研究和应用，本文对模糊控制近期研究的一些热点问题进行简要的归纳介绍。

6

正文

在自动控制中，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（如微分方程等）的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。

建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。

这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。

模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。

现代控制系统中的的控制能方便地解决工业领域常见的非线性、时变、在滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。

可编程控制器以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性很好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，这两者的结合，可在实际工程中广泛应用。

该文研究了通用模糊控制器在PLC上实现的几种算法实现模糊控制。

1.1模糊控制具有的突出特点：

（1）模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用

由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

（2）基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

（3）模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

（4）模糊控制的主要缺陷：

（1）精度不太高；

（2）自适应能力有限；（3）易产生振荡现象。

2.2模糊控制方法的研究现状

1

2.2.1Fuzzy-PID复合控制

Fuzzy-PID复合控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法。

2.2.2参数自整定模糊控制

参数自整定模糊控制根据控制系统的性能来在线地整定比例因子K1、K2和K3，使它们保持合适的数值，从而使系统的性能达到令人满意的水平。

这种控制方法较之常规的固定比例因子的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正，使得在被控对象特性变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性能。

2.3模糊控制的进展

目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。

各种模糊产品充满西方国家的市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。

多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。

模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。

直接采用模糊芯片开发产品己成为趋势。

模糊开发软件包也充满市场。

模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展。

随着其它学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛。

2.3.1模糊控制与神经网络的融合

近年来，模糊控制和神经网络不仅在各自的学科里取得了引入注目的进展，而且在这两个学科的边缘开辟了众多研究新领域。

两者的相互渗透和有机结合必将引起电子产业和信息科学的新革命。

2.3.2模糊控制与遗传算法的融合

由于模糊逻辑控制所要确定的参数很多，专家的经验只能起一个指导作用，很难根据它准确地定出各项参数，因而实际上还要反复试凑，寻找一个最优过程。

通过改进遗传算法，按所给优化性能指标，对被控对象进行寻优学习．从而有效地确定模糊逻辑控制器的结构和参数。

2.4模糊控制在实际中的应用

中央空调系统的设计是以室内空气参数为基本依据，通过对整个空调系统新风、回风的温度、湿度、送风风机运行状态、初效过滤段的压差等现场信号的采集，根据所设2

计的控制策略控制送风风机的变频调速、加湿器的加湿、冷、热水阀门的开度大小来达到设定的空气状态，且根据室内、外空气的状态（温度、湿度）确定系统的运行工况，在保证生产工艺的要求的前提下，使空调系统运行合理、安全、可靠、能耗低等，使控制效果达到最优。

一般系统中的被控参数可设定为两个：

室内温度和湿度。

常规